第14讲焊接冶金学(7)

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酸性渣虽含有较多的FeO，有利于磷的氧化，但因 碱度低，其脱磷能力更不如碱性渣。 总之，焊接时脱磷比脱硫更难，要控制焊缝含磷， 主要是严格限制焊接材料中的含磷量。
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本讲小结
❖ 过渡目的和合金过渡的方法 ❖ 合金过渡系数 ❖ 影响过渡系数的因素 ❖ 焊缝中S的危害及控制 ❖ 焊缝中P的危害及控制
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⑷ 药皮或焊剂的成分
❖ 如果在药皮或焊剂中增加高价氧化物和碳酸盐等， 不仅使气相的氧化性增大，而且也使熔渣的氧化性 增大，结果导致过渡系数减小。
❖ 当合金元素及其氧化物在药皮或焊剂中共存时，由 质量作用定律可知，能够提高该元素的过渡系数。
❖ 若其他条件相同，合金元素的氧化物与熔渣的酸碱 性相同时，则有利于提高过渡系数。若性质相反， 则降低其过渡系数。例如SiO2是酸性的，会随着熔 渣碱度的增加，Si的过渡系数减小；MnO是碱性的， 会随着熔渣碱度的增加，Mn的过渡系数增大。 21
⑸ 药皮的质量系数Kb
在焊条药皮中合金剂含量相同情况下，Kb
增加，过渡系数减小。 一般认为随着药皮厚度增加，合金剂进入
金属所经路程增大，从而使氧化和残留损失 加大。
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⑹ 焊接方法 不同焊接方法因对焊接区保护的方式以及
所用保护介质各不相同，即使用含有同样合 金元素的填充金属，其过渡系数也各不相同， 见下表。
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2. 合金过渡的方法 ⑴ 通过填充金属过渡 ⑵ 通过药皮、药芯或焊剂过渡 ⑶ 直接用合金粉末涂敷过渡
特点： 合金成分的比例调配方便、对电极(焊丝)无需特意制作，
合金损失小。 制粉工艺较复杂，堆焊金属的合金成分均匀性较差。
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3.5.2 合金过渡系数
合金元素的过渡系数η等于它在熔敷金属中的实
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表 合金元素的过渡系数η
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3.6 焊缝金属中硫和磷的控制
❖ S和P是钢中的杂质。通常母材和焊丝（芯）含S和P 的量都很低，对焊缝金属不会带来危害。
❖ 但在焊条药皮或焊剂的某些原材料中常含有相当数 量的S和P，在焊接过程中过渡到焊缝金属中就会造 成危害。
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3.6.1 焊缝中S的危害及控制 ⑴ 硫的危害 S在钢中主要以FeS和MnS形式存在，其中FeS 的危害性最大。因为它与液态铁几乎无限互 溶，而在室温下它在固态铁中的溶解度很小， 仅为0.0015%~0.002%。
际含量与它原始含量之比。 即
Cd
Ce
Cd—某合金元素在熔敷金属中的含量 Ce—某合金元素的原始含量
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焊条电弧焊：
应考虑药皮质量系数Kb的影响，则Ce为：
Ce = Cew＋KbCeo
式中 Cew——某合金元素在焊芯中的含量
Ceo——某含金元素在药皮中的含量
因此：
Cd
Cew KbCeo
由于药皮的氧化性较强，还有残留在熔渣的损失，
例如：在碱性药皮中加入Al和Ti，可提高Si和 Mn的过渡系数。
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⑵ 合金元素的含量 试验表明，随着药皮或焊剂中合金元素含量的增
加，其过渡系数逐渐增加，最后趋于一个定值。
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⑶ 合金元素的粒度 粒度越小，表面积越大，与氧作用的机会越多，
合金损失就越大。因此，适当提高合金元素的粒度， 可减少因氧化而造成的损失，使过渡系数增大。但 是，合金元素粒度过大，又会因其不易熔化而使残 留损失增大，过渡系数反而减小。
合金元素对氧的亲和力越大，越易氧化而损失， 过渡系数就越小。在1600℃时，各种合金元素对氧 亲和力由小到大排顺序如下： Cu Ni Co Fe W Mo Cr Mn V Si Ti Zr Al
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当用几个合金元素同时过渡时，其中对氧亲和力 大的元素被氧化，就能减少其他合金元素的氧化， 从而提高了它们的过渡系数。
❖ 近年来精炼钢的产量不断增加，迫切需要研制焊接 这类钢的焊接材料。
❖ CaCO3-MgO-CaF2是高碱度粘结焊剂(用Ti作脱氧剂)， 有较好的脱硫效果，焊缝含硫量小于0.010％。
❖ 用强碱性无氧药皮或焊剂，可得到含硫量更低的焊 缝金属(S＜0.006％)。
❖ 研究表明：稀土元素不仅可以脱硫和改变硫化物夹 杂的尺寸、形态和分布，而且可以提高焊缝的韧性。
第三章 焊接冶金学
第14讲
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上讲回顾
❖ 活性熔渣对金属的氧化 ❖ 焊件表面氧化物对金属的氧化 ❖ 氧对焊接质量的影响 ❖ 焊缝金属的脱氧
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3.5 焊缝金属的合金化
3.5.1 合金化的目的及方式 合金过渡是把所需的合金元素通过焊接材料过渡
到焊缝金属(或堆焊金属)中去的过程，又称焊缝金 属合金化。
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3.6.2 焊缝中P的危害及控制
⑴ P的危害
P在液态铁中溶解度很大，并以Fe2P和Fe3P 的形式存在，但P在固态铁中的溶解度只有 千分之几。
P与Fe和Ni可形成低熔点共晶，如Fe3P＋Fe （熔点1050℃），Ni3P＋Fe（熔点880℃）。
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当熔池快速凝固时，P易发生偏析。磷化铁 常分布于晶界，减弱了晶粒间的结合力，而 且本身既硬又脆。增加了焊缝金属的冷脆性， 即冲击韧度降低，脆性转变温度升高。
一般情况下通过药皮过渡的过渡系数较小 ，而通过焊
丝过渡时过渡系数较大。
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3.5.3 影响过渡系数的因素 焊接过程合金元素主要损失于：
蒸发、氧化和残留在熔渣中 只要减少这方面的损失，就能提高其过渡系数。
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⑴ 合金元素的物理化学性质 沸点：越低，焊接时的蒸发损失就越大，其过渡系 数就越小，例如Mn的沸点仅2027℃，在焊接时极 易蒸发，故其过渡系数小。
❖ 当钢焊缝中含C量增加时，会促进S的偏析， 增加S的危害性。
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⑵ 硫的控制 主要从两方面着手： 先是采取工艺措施限制S的来源，然后采取 冶金措施把焊缝金属中的S通过熔渣排出去。
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① 限制焊接材料中的含硫量 ⑴ 母材：S几乎全部进入焊缝，但母材含S量一
般较低
⑵ 焊丝：S约有70%~80%过渡到焊缝 ⑶ 药皮或焊剂：S约有50%过渡到焊缝
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磷一旦进入液态金属，应采用冶金脱磷，分两步： 第一步 FeO将磷氧化生成P2O5 ； 第二步 P2O5与渣中的碱性氧化物生成稳定的磷酸 盐，其反应如下：
2[Fe3P] ＋5(FeO)＝P2O5＋11[Fe]
P2O5 ＋3(CaO)＝[(CaO)3· P2O5] P2O5 ＋4(CaO)＝[(CaO)4· P2O5]
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熔池凝固时S容易偏析，以 低熔点共晶Fe＋FeS(熔点约 985℃)或FeS＋FeO (熔点约 940℃)的形式呈片状或链状 分布于晶界，增加焊缝金 属结晶裂纹的倾向，降低 冲击韧度和抗腐蚀性。
图 Fe＋FeS相图
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❖ 钢中含Ni时，S的有害作用更大，因S与Ni形 成NiS，NiS又与Ni形成熔点更低(664℃)的共 晶NiS＋Ni，产生结晶裂纹的倾向更大。
焊接奥氏体钢或低合金钢焊缝含碳量高时， P也促使形成结晶裂纹。
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② 磷的控制 也和控制硫一样，首先限制磷的来源，然后再用
冶金方法去磷。 ❖ 母材和焊丝(芯)经过冶炼一般磷含量都较低，都符
合标准，所以关键在于限制制造焊条药皮、药芯 或焊剂中所用原材料的含磷量。 ❖ 锰矿是焊缝增磷的主要来源，通常ω(P)＝0.22％， 其存在形式为(MnO)3·P2O5。
⑶ 合金元素氧化损失较大，并有一部分残留在渣中，故
合金利用率较低；
⑷ 焊缝合金成分不够稳定和均匀；
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2. 合金过渡的方法 ⑴ 通过填充金属过渡 ⑵ 通过药皮、药芯或焊剂过渡 ⑶ 直接用合金粉末涂敷过渡 把需要的合金元素按比例配制成一定粘度的合 金粉末，焊接时把它输送到焊接区，或直接涂敷 在焊件表面或坡口内。
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② 用冶金方法脱硫 选择对S亲和力比铁大的元素进行脱硫。最 常用的脱硫剂是Mn，其脱硫反应为：
[FeS]＋[Mn]＝（MnS）＋[Fe] 反应产物MnS不溶于钢液，故大部分进入 熔渣，少量残留在焊缝中，呈点状弥散分布、 危害较小。
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熔渣中的碱性氧化物，如MnO、CaO等也 能脱硫：
[FeS]＋[MnO]＝（MnS）＋[FeO] [FeS]＋[CaO]＝（CaS）＋[FeO] ❖ 生成的CaS和MnS不溶于钢液而进入熔渣。增 加渣中的MnO和CaO的含量，减少FeO的含 量，有利于脱硫。
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2. 合金过渡的方法 ⑴ 通过填充金属过渡 ⑵ 通过药皮、药芯或焊剂过渡
添加形式：铁合金或纯金属粉末 焊剂：一般制成粘结焊剂，配合普通焊丝
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2. 合金过渡的方法
⑴ 通过填充金属过渡
⑵ 通过药皮、药芯或焊剂过渡
特点：
⑴ 合金成分的配比可任意调控，可以获得任意成分的焊 缝或堆焊金属；
⑵ 除药芯焊丝外，药皮和粘结焊剂制造容易，成本低；
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